Как работает фотоэлемент

Принцип работы фотоэлемента

Примеров использования солнечной энергии великое множество. Это и солнечная энергетика и сельское хозяйство, фотоэлектрические системы и, наконец, фотосинтез без которого не было бы жизни. Одним из важных современных технологических решений является преобразование энергии Солнца в источник электрической энергии. В основу этого преобразования заложен принцип работы солнечного элемента.

Принцип получения электроэнергии

Батареи собраны из некоторого количества элементов, в которых энергия солнечного излучения преобразуется в электрическое напряжение. Каждый из упомянутых элементов – это фотодиод, изготовленный из специального полупроводящего материала. Каждый элемент батареи состоит из двух частей. Обе части – это определенным образом обработанный полупроводниковый материал.

Электроны в полупроводниках расположены в определенных диапазонах по энергии, диапазоны называют зонами. В каждой упомянутой части, как во всяком полупроводнике, существует заполненная зона, проводимости и разделяющая их зона. Если электрон находится в зоне проводимости, он может перемещаться. В заполненной зоне электроны вообще неподвижны. Но, если электрону сообщить добавочную энергию, он перейдет в зону проводимости и сможет перемещаться.

Возможен также переход электронов из заполненной на какой-нибудь уровень в промежуточной зоне. В обоих случаях в заполненной зоне окажется пустой уровень. На этот уровень может перейти другой электрон, оставив свой уровень незаполненным. Последний может занять соседний из этой же зоны, вместо того следующий и т.д.

Таким образом, перемещение зарядов в заполненной зоне приведет к тому, что электроны тоже могут проводить ток. Такие создающие ток заряды, в отличие от электронов в зоне проводимости, называют дырками, так как при перемещении в этом случае перемещается дырка – в место, где нет электрона. А теперь представим себе, что мы соединили друг с другом полупроводники, в одном из которых электрический ток проводят электроны, а в другом – дырки. Падение солнечных лучей на элемент сгенерирует неравновесные электронно-дырочные пары с образованием тока.

Электрические процессы в такой паре весьма сложны. Поэтому упростим их насколько возможно, для этого положим, что освещается только один из двух полупроводников, скажем для определенности тот, в котором ток проводят свободные электроны. Тогда при соединении двух полупроводников, благодаря тому, что электроны совершают тепловое движение, часть из них перейдет в дырочный полупроводник. Значит, в электронном полупроводнике возникает недостача зарядов, и он благодаря этому получит положительный заряд.

Дырочный же полупроводник, получивший электроны от соседа, очевидно, получит отрицательный заряд. А для внешней цепи соединение двух таких полупроводников будет как источник напряжения, и будет создавать во внешней цепи ток, который нужен для движения чего-либо. Это практический пример использования солнечного электричества, который положен в основу и принцип работы солнечных элементов и батарей в целом.

Фотоэффект, применение в технике фотоэлементов

На протяжении почти всего XIX века ученые наблюдали странное поведение веществ, металлов и электролитов под действием на них прямого света. Эти вещества увеличивали свою проводимость. Первым, кто смог собрать и обосновать данное явление, был Альберт Эйнштейн. Он доказал, что свет существует в виде квантовых порций и может оказывать влияние на некоторые элементы, увеличивая проводимость, то есть высвобождая свободные электроны.

Фотоэффект

Фотоэффектом называют явление испускания веществом свободных электронов под воздействием света или другого электромагнитного облучения. Протекает он в твердых веществах и конденсированных жидкостях. Применение фотоэффекта привело к открытию и обоснованию квантовой теории. На основе этой теории удалось объяснить закономерности фотоэффекта.

Из этой теории выходит, что свободный электрон облучаемого вещества не может поглотить фотон, отдаваемый излучателем, ввиду того, что невозможно соблюдение законов сохранения энергии и импульса. Связь электрона вещества с окружением обуславливает фотоэффект в молекулах и конденсированной среде. Такая связь характеризуется ионизирующей энергией, так называемой энергией выхода электрона. Применение фотоэффекта в настоящее время на практике очень широко.

Виды фотоэффекта

Внешним фотоэффектом называют явление испускания электронов под воздействием электромагнитного излучения. При этом электроны, выходящие из вещества, называются фотоэлектронами, соответственно, электрический ток в нем называется фототоком. Непосредственно элемент в аппарате, подвергающийся облучению и отдающий электроны, называется фотокатодом. Спектральная характеристика фотокатода — это зависимость чувствительности к воздействию от частоты и длины волны излучения.

Внутренним фотоэффектом называют перераспределение внутри вещества согласно энергетическим особенностям. Применение фотоэффекта внутреннего объяснило явление фотопроводимости, то есть изменения концентрации заряда в веществе под воздействием излучения, при этом выход электронов не происходит.

Фотовольтаический эффект возникает под воздействием конкретно электромагнитного излучения на вещество со свободными электронами. Ядерный фотоэффект возникает при поглощении ядром атома гамма-излучения при неизменном нуклонном количестве. При этом происходит распад ядра и выход ядерной энергии.

Фотоэлемент

Широкое применение фотоэффекта стало возможным благодаря изобретению фотоэлемента. Он применяется как оптический датчик на станках, позволяя обрабатывать сложнейшие детали без применения человеческого труда согласно созданным для этого программам. Также в кино фотоэлемент считывает запись с пленки, преобразуя ее в звук.

Фотоэлементы и их применение намного упрощают нашу жизнь как потребителей электроэнергии. Связано это с тем, что они широко используются в таких аппаратах, как солнечные батареи. В них прямое солнечное излучение попадает на вещество, преобразуясь в электрический ток.

Принцип действия и устройство вакуумных фотоэлементов

Он основан на использовании внешнего фотоэффекта, при котором падающий на поверхность материала лучистый поток вызывает эмиссию электронов в вакуум. Эти фотоэлектроны увлекаются внешним электрическим полем, создающимся приложенным напряжением между двумя электродами. При этом роль катода играет фоточувствительный слой (фотокатод). Вторым электродом является анод. Фотоэлектроны под действием приложенного напряжения устремляются к аноду, создавая ток во внешней цепи.

Эмиссия электронов из фотокатода порождается следующими процессами: поглощением падающего фотона, которое приводит к передаче энергии фотона к электрону; диффузией возбужденного электрона к поверхности твердого тела; прохождением электрона через поверхностный потенциальный барьер в вакуум. Энергия, необходимая для преодоления потенциального барьера, называется работой выхода.

Эмиссионная способность материала характеризуется квантовым выходом, равным отношению числа освобожденных электронов к числу падающих фотонов. Величина квантового выхода будет тем больше, чем выше эффективность первых двух этапов фотоэмиссии и чем меньше работа выхода. Удачным сочетанием таких качеств обладают некоторые сложные полупроводники, являющиеся эффективными фотокатодами.

Анализ показывает, что для данного материала существует оптимальная длина волны, на которой наблюдается максимальное значение квантового выхода. В соответствии с законом Столетова, величина фототока пропорциональна потоку излучения, поглощенному веществом. максимальная же кинетическая энергия фотоэлектронов тем больше, чем больше частота падающего излучения и не зависит от величины потока излучения (закон Эйнштейна).

где – работа выхода электрона;

Из этой формулы следует, что внешний фотоэффект наблюдается только для излучения, длина волны которого меньше красной границы фотоэффекта, определяемой выражением

Вакуумный фотоэлемент с внешним фотоэффектом представляет собой стеклянный вакуумированный баллон, на одну из стенок которого наносится фотокатод. Роль анода выполняет металлическая пластинка или кольцо, находящиеся в центре баллона. В некоторых конструкциях фотоэлементов, предназначенных для измерения слабых потоков, имеется третий вспомогательный электрод – охранное кольцо, помещаемое таким образом, чтобы улавливать токи утечки по баллону между выводами катода и анода. Баллон выполняется полностью из стекла или имеет окно для прохождения регистрируемого излучения из увиолевого стекла или кварца, или сапфира.

Конструктивно все фотоэлементы можно разделить на четыре группы.

1 Фотоэлементы с массивными непрозрачными фотокатодами, освещаемыми с фронта (рисунок 9, а). Они применяются для сфокусированных световых потоков, постоянных или модулированных с небольшой частотой.

а – с массивным фотокатодом; б – измерительного фотоэлемента с торцевым фотокатодом и охранным кольцом; в – сильноточного коаксиального фотоэлемента; 1 – фотокатод; 2 – анод; 3 – вывод фотокатода; 4 – вывод анода; 5 – охранное кольцо.

Рисунок 9 – Схема вакуумного фотоэлемента

Такие фотоэлементы используются в звуковом кино, фототелеграфии и контрольно-измерительной технике. Сферическая форма баллона является оптимальной, так как отраженное от поверхности фотокатода излучение снова попадает на соседние участки фотокатода.

2 Измерительные фотоэлементы (рисунок 9, б) используются в фотометрии для измерения слабых световых потоков, медленно меняющихся по величине или модулированных с определенной частотой. Они выполняются как с массивным фотокатодом, так и с торцевым полупрозрачным. Они, как правило, имеют охранное кольцо.

3 Специальные сильноточные фотоэлементы коаксиальной конструкции (ФЭК), предназначенные для регистрации лазерных импульсов с длительностью в несколько наносекунд. Для этого фотокатод выполнен в виде плоской пластинки, а анод в виде сетки располагается перед фотокатодом. Вся конструкция фотоэлемента выполнена в виде отрезка коаксиальной линии, согласованной с коаксиальным кабелем. Такие фотоэлементы имеют линейную световую характеристику для фототоков вплоть до нескольких ампер. Для снижения времени пролета электронов анодное напряжение увеличивают до 2-5 кВ. а расстояние между анодом и фотокатодом уменьшают до нескольких миллиметров.

4 Газонаполненные фотоэлементы, в которых для повышения интегральной чувствительности прибегают к усилению первичного фототока с помощью инертного газа, которым наполняется баллон фотоэлемента. В газе под воздействием приложенного анодного напряжения при движении электронов возникает лавинная ионизация, что вызывает увеличение тока в цепи. Так, чувствительность газонаполненного фотоэлемента ЦГ-4 в 2,5 раза выше, чем у аналогичных вакуумированных.

При выборе типа фотокатода при использовании фотоэлементов в оптико-электронных приборах руководствуются следующими требованиями.

1. Для работы в ИК области пригоден лишь серебряно-кислородно-цезиевый фотокатод. Но он не пригоден для работы со слабыми потоками из-за большой термоэмиссии и малой интегральной чувствительности.

2. Для монохроматических источников выбирают фотокатоды с максимальным квантовым выходом в заданной области спектра. В коротковолновой области спектра используют сурьмяно-цезиевые или бищелочные фотокатоды с пониженной термоэмиссией. В более длинноволновой (600-900 нм) – многощелочные.

3. Многощелочные, а также более простые в изготовлении сурьмяно-цезиевые фотокатоды, сенсибилизированные кислородом, имеют более высокую интегральную чувствительность.

4. В телевидении и других областях, требующих характеристики, близкие к кривой чувствительности глаза, используют висмут-серебряно-цезиевые или сурьмяно-рубидиево-цезиевые фотокатоды.

Принцип работы фотоэлемента

Фотоэлементом называют прибор, который под воздействием Солнца вырабатывает фототок. Практическую возможность получения электрической энергии из света разработал профессор физики МУ А.Г. Столетов. Он объяснил происхождение фотоэффекта и сумел преобразовать солнечную энергию в фотоЭДС. На основании этого сегодня изготавливают электровакуумные и полупроводниковые фотоэлементы, которые используют в измерительной, контрольной и автоматической аппаратуре.

Устройство представляет собой кварцевую или стеклянную колбу. С ее внутренней стороны нанесен светочувствительный слой щелочного металла (катод). Он контактирует с проводом, соединенным с отрицательным полюсом источника питания. В середине устройства расположен электрод, называемый анодом. Он соединен с положительным полюсом. Под воздействием света из катода вырываются электроны. В электромагнитном поле они устремляются к аноду, создавая в цепи ток.

Полупроводниковый фотоэлемент

Полупроводник имеет устойчивую структуру. Атомы прочно связаны ковалентной связью. Если энергии кванта хватает, чтобы разорвать связь электрона с атомом, электрон становится свободным. На его месте рождается дырка — положительный заряд, равный заряду электрона. Если приложить разность потенциалов, появится электрический ток.

Слабую проводимость чистых полупроводников увеличивают с помощью примесей других веществ, чтобы получить больше свободных положительно или отрицательно заряженных частиц:

1. примеси, создающие избыток электронов образуют полупроводник n-типа.
2. примеси, создающие избыток дырок — полупроводник p-типа.

Если соединить материал n-типа и p-типа, на границе произойдет перераспределение зарядов: дырки будут двигаться в n-область, а электроны — в p-область, пока на границе не возникнет двойной слой зарядов, называемый p-n-переходом и электрическое поле, препятствующее их дальнейшему перераспределению. Если цепь замкнуть, появится электрический ток, пропорциональный:

• интенсивности светового потока;
• площади полупроводника;
• времени действия света.

Устройство фотоэлемента

Применение

Фотоэлементы прочно вошли в нашу жизнь. Фотореле пропускает нас в метро, управляет процессами современного производства, обеспечивает безопасность человека и механизмов, контролируют качество продукции по классической схеме. На ее входе устанавливается фотоэлемент, реагирующий на световой поток. Сигнал усиливается и подается на реле в исполнительную цепь, управляя работой двигателей, станков и целых систем, применяемых в быту и на производстве.

Изучение света продолжается и сегодня. Ученые уверены, что потенциал фотона колоссален, а гелиевая энергетика в скором времени изменит свет во всех отношениях.

Фотоэлемент

Фотоэлемент — это фотоэлектронный прибор, который в результате поглощения энергии падающего на него оптического излучения генерирует ЭДС (фотоЭДС) или электрический ток (фототок).

Фотоэлемент, действие которого основано на внутреннем фотоэффекте, представляет собой полупроводниковый прибор с выпрямляющим полупроводниковым эффектом (электронно-дырочным переходом, изотипным гетеропереходом или контактом металл— полупроводник).

Фотоэлемент обычно служит приемником оптического излучения, в том числе приемником видимого спектра, и его нередко отождествляют с фотодиодом. Полупроводниковые фотоэлементы используются также для прямого преобразования энергии солнечного излучения в электроэнергию (в солнечных батареях, фотоэлектрических генераторах) как источники ЭДС для электропитания различных электронных устройств, приборов автоматики и др.

Принцип действия полупроводниковых фотоэлементов основан на фотогальваническом эффекте — явлении возникновения фотоЭДС в электронно-дырочном переходе при облучении его световым потоком, т.е. полностью соответствует работе диода в вентильном режиме.

Существенным отличием полупроводникового фотоэлемента от фотодиода является его конструкция. Устройство полупроводникового фотоэлемента схематически показано на рис. 8.20.

Основой кремниевого фотоэлемента служит пластина «-полупроводника кремния (Si) толщиной h = 0,3—1 мм, на поверхности которой создается полупроводниковый слой /?-Si толщиной h = = 0,4—1 мм. На границе двух слоев образуется р-п-переход с толщиной запирающего слоя h » 0,05 мкм. Контактные пленки выводов от полупроводников — полупрозрачные и выполнены из титана. С тыльной стороны пластины вытравливается лунка, в которой создается контакт с пластиной кремния (Si) «-типа.

Рис. 8.20. Устройство полупроводниковых фотоэлементов: а — кремниевого; б — селенового; / — контактное кольцо; 2 — прозрачный слой металла; 3 — р-л-переход; 4 — металл; 5 — п-Se; 6 — р-Se; 7 — р-Si;

8 — п-Si; 9 — выводы

Из описания конструкции видно, что площадь /?-я-перехода значительно больше у фотоэлемента, чем у фотодиода (см. рис. 8.9), что существенно усиливает внутренний фотогальванический эффект и фотоЭДС при облучении световым потоком.

Характеристики, параметры, условное обозначение и маркировка полупроводниковых фотоэлементов такие же, как у фотодиодов.

Эффективность работы фотоэлемента характеризуется коэффициентом полезного действия:

где Р_тгх — максимальная полезная электрическая мощность; P_Q — полная мощность лучистого потока, падающего на рабочую поверхность фотоэлемента.

Значение КПД фотоэлемента зависит от ряда факторов. Существенную роль играют световые потери, определяемые коэффициентами отражения и поглощения, энергетические потери за счет рекомбинации пар носителей зарядов.

КПД фотоэлемента повышается с ростом светового потока Ф, однако при больших значениях Ф увеличивается и рекомбинация носителей зарядов, что снижает коэффициент полезного действия. Процесс рекомбинации зависит от толщины светочувствительного слоя, и чем он меньше, тем быстрее заряды диффундируют к р-п- переходу увеличивается их дрейф и возникает фотоЭДС, равная 0,5-0,6 В.

Из этого можно сделать вывод, что толщина светочувствительных пленок в фотоэлементе должна быть меньше диффузионной длины пробега электрона.

Фотоэлементы. Виды и устройство. Работа и применение

Сегодня в промышленности работают десятки тысяч автоматов, оснащенных электронным зрением. Электронным глазом у них служат фотоэлементы. В основе работы этих приборов лежит фотоэффект. История открытия этого явления началась 100 лет назад.

Классификация фотоэлементов

Эффекты фотоэлементов можно разделить на несколько видов, которые зависят от свойств и производимых функций:

• Внешний фотоэффект. Его другое название – фотоэлектронная эмиссия. Электроны, вылетающие за границы вещества при возникновении внешнего фотоэффекта, называются фотоэлектронами. Образующийся фотоэлектронами при этом электрический ток, при упорядоченном движении по внешнему электрическому полю, называется фототоком.
• Внутренний фотоэффект. Он влияет на фотопроводимость материала. Этот эффект появляется при перераспределении электронов по диэлектрикам и полупроводникам, в зависимости от их агрегатного (жидкого или твердого) и энергетического состояния. Перераспределяющее явление возникает под действием светового потока. Только при таком действии повышается электропроводимость вещества, то есть, возникает эффект фотопроводности.
• Вентильный фотоэффект. Таким эффектом называется переход фотоэлектронов из собственных тел в другие тела (твердые полупроводники) или электролиты (жидкие).

На основе внешнего фотоэффекта работают вакуумные элементы. Они производятся в виде колб из стекла. Часть их внутренней поверхности покрывается тончайшим слоем напыления металла. Такая малая толщина позволяет получить незначительный рабочий ток. Окошко в колбе имеет прозрачность, и пропускает свет вовнутрь.

Расположенный внутри колбы анод из диска, либо проволочной петли, улавливает фотоэлектроны. При соединении анода с положительным выводом питания, цепь замкнется, и по ней будет протекать электрический ток. То есть, вакуумные элементы могут коммутировать реле.

Путем комбинации реле и фотоэлементов можно образовать разные автоматы с электронным зрением, например, на входе в метро. Внешний фотоэффект заложен во многих технологических процессах в промышленности, и является важным физическим открытием, залогом успешного развития автоматики на производстве.

Устройство и принцип действия

Хорошо очищенная цинковая пластина, медная сетка, чувствительный гальванометр включены в электрическую цепь батареи.

При освещении пластины ультрафиолетовыми лучами в цепи возникает электрический ток. Значит, свет выбивает электроны из металла. Это явление и называют фотоэффектом.

Поставим на пути лучей стекло, задерживающее ультрафиолетовые лучи. Ток в цепи прекращается.

Вакуумный баллон. Часть его внутренней поверхности покрыта тонким слоем щелочного металла. Это катод. Анодом служит металлическое кольцо.

Подадим напряжение. Тока в цепи нет. Теперь осветим элемент, появляется ток. После снятия напряжения ток уменьшается, но не до нуля. По мере увеличения напряжения, фототок возрастает и достигает насыщения.

При отсутствии напряжения ток в цепи есть. Для прекращения фототока необходимо подать на анод отрицательный задерживающий потенциал.

Электрическое поле тормозит фотоэлектроны и возвращает их на катод. По мере приближения источника света величина светового потока увеличивается. Возрастает и фототок насыщения. Величина фототока насыщения прямо пропорциональна световому потоку. Это первый закон фотоэффекта.

Выясним, какую роль в фотоэффекте играет длина волны света. Установим синий светофильтр. При этом ток есть. С зеленым светофильтром ток уменьшается. С желтым светофильтром тока нет. Для каждого вещества есть определенная пороговая частота, ниже которой фотоэффекта нет. Это длинноволновая граница фотоэффекта.

Если увеличивать световой поток на более низких частотах, фотоэффекта не произойдет. Как объяснить это явление? Ученые изучили распределение энергии в спектре излучения нагретых тел.

Ученые также пришли к выводу, что свет излучается, распространяется и поглощается порциями – квантами энергии, фотонами. Валентные электроны в металле свободны. При поглощении фотона энергия идет на работу выхода электрона и его кинетическую энергию. Уравнение Эйнштейна раскрывает смысл 2-го закона фотоэффекта.

Кинетическая энергия фотоэлектрона определяется частотой света. При взаимодействии света с металлом мы наблюдали внешний фотоэффект. Схема опыта ученых послужила прототипом приборов на внешнем фотоэффекте.

Светочувствительный слой вещества и кольцевой анод находятся в вакуумной или газонаполненной колбе. По этому принципу устроены фотоэлементы, выпускаемые промышленностью.

Существует большая группа элементов, свойства которых меняются под воздействием света. Это полупроводники. На их основе созданы фоточувствительные приборы с так называемым внутренним фотоэффектом.

Фоторезистор

Возьмем проволочный резистор из полупроводника. Включим его в электрическую цепь. Под действием света происходят очень сильные изменения электрического сопротивления, и ток возрастает. Изменение проводимости не зависит от направления тока в фоторезисторе. Как возникает внутренний фотоэффект?

Рассмотрим элемент германий. Он четырехвалентный. На схеме изображена устойчивая структура полупроводника. Атомы прочно связаны ковалентной связью. Если энергия кванта света достаточна, чтобы разорвать связь электрона с атомом, он становится свободным, и блуждает по кристаллу. На его месте возникает так называемая дырка. Это положительный заряд, равный заряду электрона. Дырка может быть снова занята электроном.

Приложим разность потенциалов. Возникнет направленное движение электронов и дырок – электрический ток. Так устроен фоторезистор.

При воздействии света появляются носители, резко увеличивается проводимость, и возрастает ток в цепи.

Проводимость очень чистых полупроводников мала. Ее можно увеличить, если добавить примесь другого элемента. Добавим, например, атомы мышьяка. Они имеют большую валентность. При этом часть электронов оказывается свободной. Благодаря ним и увеличивается проводимость. Эта примесь дает материал n-типа. У индия валентность меньше. Он захватывает электроны кремния, увеличивая число дырок. Проводимость становится дырочной. Эта примесь дает материал р-типа.

Соединим два полупроводника n-типа и р-типа. На границе произойдет перераспределение зарядов. Дырки входят в р-область, а электроны в n-область до тех пор, пока на границе не возникнет электрическое поле, которое препятствует дальнейшему перераспределению. Так возникает двойной слой заряда, который называют р-n переходом.

Благодаря фотоэффекту при воздействии света появляются электроны и дырки. Возникает разность потенциалов.

Если цепь замкнуть, появится электрический ток. Этот эффект можно использовать для прямого преобразования световой энергии в электрическую. По этому принципу работают преобразователи световой энергии в электрическую, в экспонометрах, люксметрах, солнечных батареях.

Фотодиод

Простой фотодиод – это обычный полупроводниковый диод с переходом р-n, на который может воздействовать световой поток. В итоге материал меняет свои свойства, и дает возможность исполнять разные функции в цепи электрического тока. При отсутствии света диод имеет обычные свойства.

Комбинируя структуры, можно получить фототранзистор. Световой луч управляет его работой.